化工原理第九章液体精馏-文档.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,第九章 液体精馏,1,.,9.1 蒸馏概述,用于互溶液体混合物的分离,是最常用的方法.,蒸馏分离的物理依据,:液体中各组分挥发度不同.,液体部分气化后的组成与剩余的液体组成有区别.,工业蒸馏过程:最简单的是平衡蒸馏和简单蒸馏,只用一次平衡关系.,对高纯度的分离,需要,精馏,(重点),应用多次平衡关系.,图91，图92,2,.,精馏操作的费用和操作压强,操作费用-液体气化需要热量(蒸汽),气体冷凝需要冷量(冷却水);,设备费用-塔器的投资,由塔直径和塔板数(塔高)确定;,操作压强高设备要求高,但对低沸点物质可用一般冷却介质;,操作压强低需要真空设备,但适用高沸点和热敏性物质;,9.2,双组分溶液的气液相平衡,9.2.1 理想物系的气液相平衡,气液两相平衡共存时的自由度,相律,1)液相(或气相)组成与温度间一一对应关系;,2)气,液组成间的一一对应关系.,双组分理想物系的液相组成温度(泡点)关系式,1)液相为理想液体(组分分子结构相似),服从拉乌尔定律;,2)气相为理想气体(低压气体),服从道尔顿分压定律.,3,.,满足拉乌尔定律：,纯组分的饱和蒸气压与t的关系，用Antoine公式表示:,总压,气相组成与温度(露点)的定量表达式,引入相平衡常数K,4,.,t-x(y)图和y-x图,泡点线,露点线,平衡线,y-x的近似表达式与相对挥发度,相态变化,杠杆定律,P=常数,x,y,0,1,1,x,A,x,B,t,泡点线,露点线,气相区,液相区,两相区,重组分沸点,轻组分沸点,5,.,讨论:,1)上式相平衡方程，反映了双组分物系平衡时两相的浓度关系,2)对理想物系,3)对物系相对挥发度 相差不大,4)相差较大,但不超过30%,9.2.2 非理想物系的气液相平衡,实际生产遇到的物系大多数是非理想物系.,在常压和减压条件下,气相为理想气体,液相为非理想,上式为,6,.,相平衡常数K为,某些溶液和理想溶液比较具有较大的,正偏差,使溶液在某一组,成时其两组分的蒸汽压之和出现最大值.溶液具有,最低恒沸点,.,某些溶液和理想溶液比较具有较大的,负偏差,使溶液在某一组,成时其两组分的蒸汽压之和出现最小值.溶液具有,最高恒沸点,.,活度系数是温度和组成的函数可以通过活度系数关联式求得,各种关联式中的模型参数由实验数据拟合.,见图96，图97，图98，图99，图910,在中高压条件下,需通过状态方程求取逸度系数.,7,.,总压对相平衡的影响,混合物的泡点越高,各组分挥发度的差异越小.,因此,总压增高,泡点上升,相对挥发度减小,分离困难,.,当压强大于轻组分的,临界压强时，气液共存区,缩小，分离只能在一定范,围内进行，不能得到轻组,分的高纯度产品。,8,.,9.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,9.3.1 平衡蒸馏,y，x，泡点温度t,e,。,D,W,F,x,F,9,.,9.3.2 简单蒸馏,10,.,平衡蒸馏与简单蒸馏的,比较,:,平衡蒸馏：y与x平衡,简单蒸馏：y与x不满足平衡关系,当液相产品x相等时，简单蒸馏的汽相产品浓度可大些见,P59例9-3，两种蒸馏方式只能使混合液一定程度的提浓，而,不能获得高浓度分离。,9.4 精馏,9.4.1 精馏原理,上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见只经过一次部分气化,即只利于,一次平衡关系,因此不能获得高纯度产品.精馏实际是多次部分气,化或多次部分冷凝,即利用多次平衡关系.,11,.,t-x-y图,有许多中间产品,12,.,为了消除中间产品可以以下流程,用上升蒸汽的热量使液体部分气化,由于,是同一物系,可用直接,接触方式换热.,工业上精馏是在精馏塔内完成的,塔顶冷凝器将蒸汽冷凝,后,一部分冷凝液回流入塔,称为回流液.塔底装有再沸器,气化部分液体成蒸汽使之沿塔上升,与下降的液体逆流接,触进行物质传递,达到分离的目的.,图9-14常规精馏塔,13,.,常规精馏塔见图9-14,一股进料,二股出料,塔顶是全凝器,塔底是间壁式的再,沸器.,在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的,重组分,称为精馏段;在塔的加料板以下完成液体中提浓,提出轻组分,称为提馏段.,精馏与简单蒸馏的区别在于”回流”,回流构成气液两,相接触传质的必要条件,使重组分向液相传递,轻组分向,气相传递.,全塔物料衡算,精馏塔操作的各流率和组成间的关系均受全塔物料,衡算的约束.流率以kmol/s表示,气液组成以摩尔分率y,和x表示.,14,.,总物料衡算,对轻组分物料衡算,得,进料组成x,F,通常已规定,1)当产品质量规定,即x,D,和x,W,确定,产品得采出率D/F和,W/F也确定,不能自由选择.,2)当塔顶得产率和质量x,D,确定,塔底的产率和质量x,W,也,不能自由选择.,15,.,3)规定分离要求时,应使Dx,D,Fx,F,或Wx,W,Fx,F,回流比和能耗,回流比定义 R=L/D,当塔顶产品量不变,回流比大,即上升蒸汽的量大,塔顶,全凝器的冷却负荷大,再沸器的加热负荷也大,即能耗加,大.另一方面回流比增大,使气液比也增大,提高了分离能,力.,9.4.2 精馏过程数学描述的基本方法,逆流多级传质操作,精馏设备也可分为微分接触式和分级接触式.,典型的分级接触设备是板式精馏塔.气相借压差穿过,塔板上的小孔与横过塔板的液体接触,进行两相的热,质,交换,然后气相上升至上层塔板,液相降至下层塔板.,16,.,过程描述的基本方法,列出物料衡算,热量衡算,过程特征方程,有的时候进行适当的简化.,9.4.3 塔板上过程的数学描述,单块塔板的物料衡算,第n块板的总物料衡算,第n块板的轻组分物料衡算,单块塔板的热量衡算及简化,若假定,可得 称为,恒摩尔流假定,.,(有时用恒质量流假定),17,.,塔板传质过程的简化-理论板和板效率,由于塔板上气液传递过程非常复杂,为了避免困难,引,入理论板概念,理论板,定义-在板上气液充分接触,传热和传质阻力为,零的理想化塔板,即离开塔板的气液相温度相等,气液相组成达到相平衡.,特征方程为:泡点方程 t,n,=,(x,n,),相平衡方程 y,n,=f(x,n,),但实际板不同于理论板,引入板效率概念,气相默弗里,板效率,18,.,理论板概念的引入使复杂的精馏问题分解为两个问题,然后分步解决.,理论板数量取决于分离要求,相平衡和回流比.,板效率大小取决于设备和气液接触状况.,(相当于N,OG,和H,OG,),经过简化单块板的数学方程为:,物料衡算式,相平衡方程,加料板过程分析,1）加料的热状况原料加热到不同温度时状态不一；,有冷液，饱和液，气液两相，饱和气，过热气。,不同的加料状态，离开加料板的两相流量和组成也,不同。,19,.,2）理论加料板,不管加料板上状态如何，离开加料板的两相温度相,等，组成互为平衡。,物料衡算式,相平衡方程,3）精馏段和提馏段流量的关系,列加料板物料和热量衡算式,由恒摩尔假定，不同温度和组成的饱和液体焓i和汽,化潜热均相等。,V,I,y,m,L,i,x,m-1,V,I,y,m+1,L,i,x,m,F,i,F,x,F,20,.,联立上二式，得,定义：,分子：1kmol原料变成饱和蒸气所需的热,分母：原料的摩尔汽化热,可得,q为加料热状态参数,q0，饱和气体（露点）；q0，饱和液体（泡点）,q1，冷液,21,.,精馏塔内的摩尔流率,精馏段,提馏段,塔顶冷凝器热负荷,塔釜热负荷,冷凝器物料衡算,塔釜物料衡算,22,.,9.4.4 精馏塔的逐板计算,精馏段,操作线,提馏段,操作线,D,F,V,L,V,L,23,.,操作方程的图示操作线,精馏段的端点yx,D,，xx,D,斜率R(R+1),截距x,D,/(R+1),提馏段的端点yxW，xxW,斜率,两操作线的交点,x,W,x,D,24,.,理论板的增浓度,y,n,和x,n,是平衡关系,y,n,和x,n-1,是操作关系,y,n+1,和x,n,是操作关系,AB是液体经过该塔板的增浓度,BC是气体经过该塔板的增浓度,第n板,y,n,y,n1,x,n1,x,n,x,n1,x,n,y,n1,y,n,A,B,C,25,.,逐板计算法,平衡关系,操作关系,平衡关系,操作关系,直至达到塔底要求,26,.,9.5 双组分精馏的设计型计算,9.5.1 理论板数的计算,精馏设计型计算的命题,分离要求：x,D,，x,W,回收率,Dx,D,/Fx,F,分离要求的约束 D和x,D,，及W和x,W,不能随意规定。,精馏条件：压强p，回流比R，进料热状态q。,精馏条件确定后，相平衡关系和操作关系也确定。,逐板计算法,如前所述：在x,D,与点x,q,，y,q,间，交替使用平衡关系,和精馏段操作关系；,在点x,q,，y,q,与x,W,间，交替使用平衡关系,和提馏段操作关系。,27,.,见图,阶梯数为理论,板数；,跨越点x,q,，y,q,的板为加料板,位置。,再沸器由于体,积大液体停留,时间长可以认,为是一块理论,板。,x,D,x,W,x,1,，y,1,x,N,，y,N,x,q,，y,q,28,.,最优加料板位置的确定,跨越点x,q,，y,q,的板为加料板位置是所需理论板最少。,见表91,如果理论板数已确定，在较高的板上进料，使精馏,段板数太少，提浓度不够，塔顶达不到要求；在较低的,板上进料，使提馏段板数太少，提浓度不够，塔底达不,到要求；,实际加料的位置应是加料浓度与板上浓度接近的位,置加入最合适，因为浓度不匹配，将改变精馏塔内浓度,分布，使分离效果降低。,加料位置必须在图927的p和m点之间。,29,.,操作线的实际作法,消去上二式的x,D,，得,1）以点x,D,和截距作精馏段操作线；,2）以q线的斜率和点x,F,作q线；,3）以点x,W,和点x,q,，y,q,作提馏段操作线。,q,x,D,x,F,x,W,q,30,.,热状态和q线的斜率,泡点加料是垂线,露点加料是水平线,q1,q=0,0q1,q0,x,F,31,.,9.5.2 回流比的选择,增大回流比，加大了精馏段的液气比，也增大了提馏,段的气液比。使操作线靠向对角线，理论板数减少，设,备费用减少；但能耗增加，操作费用增加。是一个优化,的问题。,全回流与最少理论板数,全回流是指塔顶全凝器的冷凝液全部入塔，无塔顶和,塔底产品，也无进料。一般用于设备开车，希望尽快建,立全塔的浓度分布，或在实验研究时采用。,全回流时的操作线就是对角线，因此所需的理论板数,最少。,32,.,最少理论板数的计算，对应理想溶液：,33,.,最小回流比R,min,两操作线向平衡线靠近，,理论板数需要无穷多，e,点为挟点，附近为恒浓区；,最小回流比与平衡关系和,分离要求有关。,正常平衡关系时的最小,回流比的计算：,非正常平衡关系时，需用切线的,方法，见图932,34,.,最适宜回流比的选择,回流比应在R,min,与R,之间，应使设备费用与操作费,用之和最小。根据经验取,R,opt,（1.22）R,min,回流比,费用,35,.,理论塔板的捷算法,当对理论板数只需一个大概的估计,可以用经验公,式，称为吉利兰关联图。,计算步骤：,1）计算最小回流比；,2）选取实际操作回流比；,3）计算全回流条件下的最少理论板数；,4）由（RR,min,）/（R1）,5）查图或计算得lg（NN,min,）/（N+1）,6）计算N。,36,.,9.5.3 加料热状态得选择,由图可见不同得加料热状态将,改变提馏段操作线的斜率和精馏,段操作线的长短.q值越小,提馏段,靠近平衡线,需要的理论板数越多.,由全塔的热量衡算可知当塔顶,冷凝量一定时,进塔的热量等于塔,釜热量和加料热量,q小加料热量,多,使塔釜热量减少,上升蒸汽量少,不利于分离.塔釜热量,不变,加料热量增加,塔顶冷凝量也增加,回流比增大,塔板,数可减少,但能耗增大.,一般而言,热量尽可能塔底加入,塔顶取出.,有时气相进料,主要是为了减少再沸器的热负荷,尤其釜温较高,可防止结焦.,37,.,9.5.4 双组分精馏过程的其他类型,直接蒸汽加热,在分离要求相同的情况下,因,加热蒸汽凝液排出时也带出,少量轻组分,将使轻组分的回收率降低.因此须尽可能除,去蒸汽夹带的水分.,38,.,多股加料,如图有二股加料,把精馏塔分成三段,因此有三根操作线.,并且下段的操作线斜率大.最小回流比位置会根据平衡关,系的不同发生变化.如把二股物料混合后一起加入,将不,利于分离,q,1,q,2,F,1,F,2,D,W,39,.,侧线出料,左图是饱和液体出料,右图是饱和气体出料.,不够那种出料,第二操作线斜率小于第一操作线斜率.,最小回流比时,恒浓区一般出现在q线和平衡线的交点处.,q,q,x,D,y,D,D,F,40,.,回收塔,只有提馏段无精馏段的塔称为回收塔.,目的:回收稀溶液中的轻组分,并要求不高;,或物系在低浓度相对挥发度较大.,设计时,已知原料组成xF,规定釜液组成xW及回收率,则塔顶浓度xD和采出率D/F由全塔物料衡算确定.,提馏段操作线方程同精馏塔,泡点加料时为:,要提高馏出液浓度,须减少蒸发,量,减少气液比,理论板数要增加.,x,W,x,F,x,D,x,Dmax,41,.,9.5.5 平衡线为直线时理论板数的解析计算,双组分溶液在很低的浓度，汽液平衡关系为线性，,即yKx，K为常数。恒摩尔流假定，操作线也为直线。,上述方法适用于高纯度分,离过程理论板数的计算。,y,1,x,0,y,N1,x,N,42,.,9.6 双组分精馏的操作型计算,9.6.1 精馏过程的操作型计算,操作型计算的命题,已知：全塔总板数，加料板位置，平衡关系，原料组成,x,F,和热状态q，回流比R，塔顶产出率D/F。,求：产品组成x,D,和x,W,，及逐板组成分布。,特点：变量间多为非线性关系，需试差；,加料板位置或其他操作条件，不一定最优。,回流比增加对精馏结果的影响,回流比增大塔顶x,D,和塔底x,W,。同时塔顶全凝器的,热负荷和塔底再沸器的热负荷也增加。,但回流比增大对,x,D,和x,W,影响有极限值。,43,.,进料组成变动的影响,x,F,下降，x,D,，x,W,。,要保持产品浓度，需增大回流比或减小产出率D/F。,压强的影响,压强影响平衡线的位置，一般设计时已确定压强，操,作时要控制其稳定。,加料热状况的影响,q增大，塔顶x,F,，但全凝器热负荷要增加。,产出率的影响,D增大，x,D,加料量的影响,热负荷变化,44,.,9.6.2 精馏塔的温度分布和灵敏板,精馏塔温度分布,溶液的泡点与组成和压强有关,灵敏板塔板温度对外界干扰反映最敏感的塔板。,控制点放在灵敏板上,该板温度发生变化,即可开始调节.,P,大,x,B,大,大,t,t,板序号,45,.,9.7 间歇精馏,9.7.1 间歇精馏的特点,分离要求较高,料液品种或组成变化,处理量比较小的,采用间歇精馏比较合适.间歇精馏料液一次性投入塔釜,轻,组分提取后,釜液一次性排出.,特点:1)非定态过程;,2)精馏塔全为精馏段,无提馏段.,操作模式:1)为保持塔顶浓度,可逐步加大回流比;,2)回流比恒定,塔顶浓度逐步下降;,3)塔釜的物料可分批加入下一次精馏中.,46,.,9.7.2 保持馏出液组成恒定的间歇精馏,设计型计算,已知:投料量F,料液组成xF,要求的塔顶馏出物组成xD,规,定的釜液组成xW或回收率,选择回流比范围.,求:所需理论板数,x,W,y,W,x,D,47,.,在操作过程中，塔板数不变，随着釜液的降低，逐步,增大回流比R，由于汽化量V不变，塔顶流出液D逐步下,降，来保证塔顶浓度。见例910附表2。,9.7.3 回流比保持恒定的间歇精馏,塔板数和回流比不变，塔顶馏出液浓度和釜液浓度同,时下降。为了达到某一要求的产物，最初的馏出液浓度,要提高，使整个精馏过程的平均浓度为产品浓度。,设计型计算,已知料液量F，料液组成x,F,，最终釜液x,W,，馏出液平均,浓度x,Dp,。,选择合适的回流比及所需理论板数。,48,.,设初始浓度x,Ds,。,选合适的回流比，计算理论板。,有类似简单精馏形式,因塔板数和回流比一定，瞬时,釜液组成x必对应一个塔顶浓,度xD。通过数值积分得W。,平均浓度x,Dp,为：,49,.,例911是两种间隙精馏能耗得对比,结果：在产品质量一样的情况下，保持恒定塔顶组成的,比较经济，但控制比较困难。,9.8 恒沸精馏和萃取精馏,当有恒沸物的物系，不能用精馏的方法把恒沸物分,离；或相对挥发度接近1，用精馏所需的理论板太多。,需用特殊精馏的方法，即一般加入第三组分来改变原组,分间的热力学相平衡关系。常用的特殊精馏有恒沸精馏,和萃取精馏。恒沸精馏加入第三组分挟带剂，形成新的,恒沸物从塔顶蒸出。萃取精馏不形成恒沸物，第三组分,萃取剂从塔底排出。,50,.,9.8.1 恒沸精馏,双组分非均相恒沸精馏,不要加入第三组分，利用塔顶恒沸物冷凝后分成两个,部分互溶的液相，通过二个塔设备联合操作，来进行分,离。,x,F,=0.71%,蒸汽,其余水,x,W,0.009%,99%糠醛,恒沸组成9.19%糠醛,2糠醛,70.1%糠醛,51,.,三组分恒沸精馏,以乙醇水物系原恒沸物0.894（摩尔分数），温度,78.15度；现加入苯为挟带剂，形成三元恒沸物64.9,度，组成苯0.539，乙醇0.228，水0.233。挟带剂量合,适正好把水全部带完。流程见图950。,挟带剂的选择,：,1）能与一个或二个组分形成最低恒沸物从塔顶蒸出。,最好与量少的成恒沸物，以减少能耗。,2）新的恒沸物要容易分离，回收挟带剂，最后冷凝后,分层。,3）挟带剂的挟带量要大，可以少有挟带剂。,52,.,9.8.2 萃取精馏,流程异辛烷甲苯（沸点99.3度 110.8 度)，,加苯酚（沸点181度）为萃取剂。,异辛烷甲苯,异辛烷,甲苯苯酚,甲苯,苯酚,0.55,0.83,53,.,萃取剂的选择,1）选择性高；,2）挥发度小，易回收；,3）与原物系能有足够的互溶度，混合良好。,操作特点,：,1）各板保持足够的萃取剂浓度，回流比太大会使萃取,剂浓度下降；,2）为使精馏段和提馏段萃取剂浓度接近，原料以饱和,蒸汽加入；,3）萃取剂加入量一般较多，能耗主要提高萃取剂温,度。,54,.,恒沸精馏和萃取精馏的比较,1）因恒沸精馏要形成恒沸物，恒沸剂比较难选择；萃,取剂容易选择，适用范围大；,2）恒沸物塔顶蒸出，萃取剂塔顶排除，因此恒沸精馏,能耗大；,3）萃取剂不断从塔顶加入，难以间歇操作；恒沸精馏,大规模生产和实验室都能间歇精馏。,55,.,9.9 多组分精馏基础,9.9.1 多组分精馏流程方案的选择原则,1）按进料接近0.5比0.5的组分先分,2）按挥发度大到小分离；,3）按相对挥发度大到小分离；,4）按摩尔分数大到小分离；,5）分离要求高或难分离的最后。,分离流程数,二组分，一个塔，一个方案；,三组分，二个塔，二个方案；,四组分，三个塔，五个方案；,五组分，四个塔，14个方案。,A+B+C,A+B,C,B,C,A+B+C,A,B+C,C,B,56,.,9.9.2 多组分的气液相平衡,平衡常数,相对挥发度,泡点温度计算 露点温度计算,57,.,多组分物系的平衡蒸馏（闪蒸）,9.9.3 多组分精馏的关键组分和物料衡算,关键组分在进料中选二个组分，对多组分分离起控,制作用，挥发度大的为轻关键组分，挥发,度小的为重关键组分。,58,.,全塔物料衡算,分离要求,只能对关键组分进行规定。如：,1）塔顶重关键组分摩尔分数，塔底轻关键组分摩尔分,数规定，产品产出率D/F，W/F及其他组分摩尔分,数不能自由选择。,2）当塔顶产出率D/F和塔顶重关键组分摩尔分数规定，,及其他组分摩尔分数不能自由选择。,清晰分割法,轻重关键组分相邻，两者挥发度差异较,大，分离要求较高时。可以认为：比轻关键组分还轻的,组分仅在塔顶，比重关键组分重的组分仅在塔底。,59,.,全回流近似法,假定：实际部分回流时，各组分在塔,顶和塔底产品中的摩尔分 数与全回流时的相同。,9.9.4 多组分精馏理论塔板数的计算,最小回流比,多组分精馏中，由非关键组分存在，加料板上下各,有一个恒浓区。,60,.,